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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein turboaufgeladene Dieselmotoren
und insbesondere deren Abgasleitung.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bei
neueren turboaufgeladenen Dieselmotoren wird der bestmögliche Gesamtwirkungsgrad
angestrebt, wobei gleichzeitig die erforderlichen Emissionsgrenzwerte
eingehalten werden. Bei Verbrennungsmotoren werden mehr oder weniger
die gleichen technischen Lösungen
verwendet, die auf bekannten und sparsamen Komponenten basieren,
um diese Anforderungen zu erfüllen.
In
EP 1 273 779 wird
beispielsweise ein dem Stand der Technik entsprechender schadstoffarmer
Verbrennungsmotor mit Turbolader offenbart. Der offenbarte Verbrennungsmotor
ist mit allen Komponenten versehen, die zur Erfüllung der heutigen wirtschaftlichen
und umweltbezogenen Anforderungen notwendig sind.
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Es
ist ein vollelektronisch gesteuertes Motorbetriebssystem vorgesehen,
das mehrere Sensoren – die
einen Abgasdrucksensor und einen Abgastemperatursensor umfassen – und Betätigungsvorrichtungen,
ein präzises
und hochanpassungsfähiges Hochdruck-Kraftstoff-Zuteilungssystem,
einen variablen Turbolader mit Düsen,
ein Abgasrückführungsventil
(AGR-Ventil), einen
Oxidations-Abgaskatalysator (der auch als Oxidationskatalysator
bezeichnet wird) und einen Dieselpartikelfilter umfasst. Das vom Motor
erzeugte Abgas strömt
durch die Turbinenstufe des Turboladers, den Oxidationskatalysator
und schließlich
durch den Dieselpartikelfilter.
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Eine
bestimmte Abgasmenge wird von stromaufwärts des Turboladers aus zum
AGR-Ventil abgeleitet. Das AGR-Ventil teilt das abgeleitete Abgas
zu, um Letzteres wieder in bestimmten Mengen in die Brennräume des
Motors einzuleiten, was dazu führt,
dass dessen Schadstoffemissionen reduziert werden. Diese Betriebsgrundlagen
an der Abgasseite des Motors werden überall in der gesamten Motorindustrie
mit einigen Verbesserungen verwendet, wenn man beispielsweise einen
Abgasrückführungskühler (AGR-Kühler) und/oder
einen Ladeluftkühler mit
Turbolader und/oder einen katalytischen Dieselpartikelfilter (CDPF)
hinzufügt.
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Obwohl
diese Konfiguration einige bemerkenswerte Leistungen zeigt, ist
sie nicht frei von Nachteilen. Die Thermodynamik, die sich bei Hinzufügung von
Einschränkungen
hinter dem Turbolader ergibt, verringert die Leistung des Motors
in Bezug auf Kraftstoffverbauch, maximale Motorleistung und maximales
Drehmoment. Die durch den Dieselpartikelfilter verursachte variable
Einschränkung
macht auch die Regelung des Turboladers problematisch, da die Turbolader-Regelung
sich mit höherem
stromabwärtigen
Turboladerdruck beträchtlich
verändert. Wenn
ein Dieselpartikelfilter vorgesehen ist, muss ein Kraftstoffadditiv-Steuerungssystem
oder ein CDPF verwendet werden, damit der Dieselpartikelfilter regeneriert
werden kann. Dadurch wird die Nachbehandlung teurer und komplizierter,
ganz zu schweigen von den Umständen
und Kosten für
das regelmäßige Nachfüllen des
Additivbehälters.
Die Größe und das
Gewicht aller Komponenten des Additiv-Steuerungssystems machen die
Auslegung des Fahrzeugs ebenfalls schwieriger.
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ZIEL DER ERFINDUNG
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine bessere Abgasleitung
eines turboaufgeladenen Dieselmotors und ein Verfahren zur Reinigung des
Abgases eines turboaufgeladenen Dieselmotors bereitzustellen. Dieses
Ziel wird durch eine Abgasleitung nach Anspruch 1 und ein Verfahren
zur Reinigung des Abgases nach Anspruch 10 erreicht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß umfasst
eine Abgasleitung eines turboaufgeladenen Dieselmotors einen Abgasauslass;
eine Verbindung, um das Abgas einer Abgasrückführungsvorrichtung (AGR-Vorrichtung) zuzuführen; einen
Turbolader mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Turbolader
ein elektrisch unterstütztes
Mittel umfasst; einen katalytischen Dieselpartikelfilter (CDPF)
mit einem Einlass und einem Auslass; und ein Mittel zur Bestimmung
des Verunreinigungszustands des katalytischen Dieselpartikelfilters.
Der Abgasauslass, der katalytische Dieselpartikelfilter, die Verbindung
mit der Abgasrückführungs-Vorrichtung
und der Turbolader sind in dieser Reihenfolge hintereinander angeschlossen,
wobei ihr jeweiliger Auslass mit dem jeweiligen nächsten Einlass
verbunden ist. Die Verbindung mit der AGR-Vorrichtung ist zwischen
dem Auslass des CDPF und dem Einlass des Turboladers angeordnet.
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Der
Aufbau einer Abgasleitung ist preiswerter und weniger komplex als
die herkömmliche
Abgasleitung, die in modernen Dieselmotoren mit Turbolader anzutreffen
ist. Der Hauptfaktor dabei ist, dass die Abgastemperatur und der
Abgasstrom stromaufwärts
des Turboladers bedeutender sind. Die physikalischen Gegebenheiten
beim Turbolader sind derart, dass er dem Abgasstrom Energie entzieht,
was die Abgastemperatur um ungefähr
100 K senkt. Wird der CDPF stromaufwärts des Turboladers angeordnet,
ist die Temperatur des durch den CDPF fließenden Abgases höher und
muss kein separates Additiv-Steuerungssystem vorgesehen werden,
um den CDPF zu reinigen. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass
an dieser Stelle das Abgas die Zündtemperatur
der Rußpartikel
bei den meisten Drehzahl-Last-Punkten erreicht. Die heißere Position des
CDPF steigert auch den Wirkungsgrad in Bezug auf die Konvertierungsrate
bei unverbrannten Kohlenwasserstoffen (CH) und Kohlenmonoxid (CO). Aus
Sicht der Kosten bietet der höhere
Wirkungsgrad ferner die Möglichkeit,
weniger Edelmetall in den Katalysatoren zu verwenden und demnach
preiswertere Katalysatoren zu konstruieren. Die Motorleistung wird
ebenfalls durch die vorliegende Erfindung verbessert. Die thermodynamischen
Gegebenheiten, die sich dadurch ergeben, dass sich die Einschränkung stromaufwärts und
nicht stromabwarts des Turboladers befindet, sind für das Drehmoment
und den Kraftstoffverbrauch von Bedeutung. Die variable Einschränkung des
CDPF stromaufwärts
des Turboladers stellt den Durchlass stromabwärts des Turboladers immer nahe
dem Atmosphärendruck
ein. Die Leistung des Motors wird somit gesteigert, da Letzterer
und insbesondere der Turbolader wesentlich empfindlicher für eine Änderung
beim stromabwärtigen
Druck sind. Die Kombination des Turboladers mit einem elektrisch
gesteuerten Mittel und dem CDPF ermöglicht außerdem ein besseres Übergangsverhalten
des Motors in Bezug auf das Drehmoment, da die eingespritzte Kraftstoffmenge
vergrößert werden kann,
ohne dass der Rußausstoß davon
betroffen ist. Dies bedeutet aber auch, dass man mit weniger Aufwand
ein Übergangsverhalten
erzielen kann, das mit dem bekannter Systeme vergleichbar ist. Das
vorliegende System benötigt
in der Tat weniger Energie, um das gleiche Übergangsverhalten zu erreichen
wie andere Systeme, die dem Stand der Technik entsprechen. Statt
einer 42-V-Energiequelle
für das
elektrisch gesteuerte Mittel des Turboladers kann eine 12-V-Energiequelle
verwendet werden. Demzufolge kann das elektrisch gesteuerte Mittel
des Turboladers mit einer Standardenergiequelle des Fahrzeugs betrieben
werden, was wiederum zu niedrigeren Herstellungs- und Wartungskosten
führt.
Die Erfindung würde
ohne ein elektrisch unterstütztes
Mittel nicht gut funktionieren, da das Turboloch wegen der großen thermischen
Zeitkonstante des Filters in nicht annehmbarem Maße verlängert würde, d.h.,
dass sie erhitzt werden muss, bevor sie arbeitet. Schließlich wird
auch die Dauerhaltbarkeit des Turboladers und des AGR-Ventils verbessert,
da die Rußreinigungswirkung
des CDPF deren Verunreinigung mit Ruß vermeidet.
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Zwischen
dem CDPF und dem Lufteinlass des Motors ist vorzugsweise ein Ladeluftkühler angeordnet.
Der Ladeluftkühler
ermöglicht,
dass ein homogeneres Gemisch in den Motor gelangt und dass das Gemisch
weiter gekühlt
wird, bevor es dem Motor zugeführt
wird. Üblicherweise
ist ein Ladeluftkühler
stromaufwärts
des Ansaugkrümmers
angeordnet, so dass nur Frischluft durch den Ladeluftkühler strömt. Da erfindungsgemäß das vom
CDPF kommende Abgas keinen Ruß enthält, ist
das rückgeführte Abgas
rein und kann es durch den Ladeluftkühler zurückgeleitet werden.
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Das
Mittel zur Bestimmung des Verunreinigungszustands des katalytischen
Dieselpartikelfilters umfasst vorzugsweise einen ersten Drucksensor stromaufwärts des
katalytischen Dieselpartikelfilters; einen zweiten Drucksensor stromabwärts des
katalytischen Dieselpartikelfilters; und ein elektronisches Steuergerät, das Signale
vom ersten und zweiten Drucksensor empfängt und basierend auf den empfangenen
Signalen den Verunreinigungszustand des katalytischen Dieselpartikelfilters
bestimmt. Drucksensoren ermöglichen
eine problemlose und zuverlässige
Messung der Einschränkung
des CDPF und somit der Menge der darin eingefangenen Rußpartikel.
Obwohl zwei getrennte Drucksensoren bevorzugt werden, wird nicht
ausgeschlossen, dass statt dessen ein Differenzdrucksensor vorgesehen
wird.
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Vorteilhafterweise
ist der erste Drucksensor nahe dem Einlass des katalytischen Dieselpartikelfilters
und der zweite Drucksensor nahe dem Auslass des katalytischen Dieselpartikelfilters
angeordnet. Da die Drucksensoren nur durch den CDPF voneinander getrennt
sind, berücksichtigt
die gemessene Druckdifferenz nicht nur den Druckabfall quer über den
CDPF, so dass eine präzise
Bestimmung der Druckdifferenz quer über den CDPF sowie der Menge
der darin eingefangenen Rußpartikel
bereitgestellt wird.
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Die
Abgasleitung kann ferner einen Temperatursensor stromabwärts des
katalytischen Dieselpartikelfilters umfassen. Vorteilhafterweise
ist der Temperatursensor nahe dem Auslass des katalytischen Dieselpartikelfilters
angeordnet. Der Temperatursensor kann zur Überwachung der Temperatur des
durch den CDPF strömenden
Abgases verwendet werden. Der Temperatursensor schützt die
gesamte Anlage vor Überhitzung.
Falls eine kritische Temperatur erreicht wird, während der Motor in einer bestimmten
Betriebsart läuft,
hat die Sicherheit der gesamten Anlage Priorität und wird der Motor in eine Betriebsart
umgeschaltet, bei der die Abgastemperatur verringert ist. Vorzugsweise
werden zwei separate Temperatursensoren verwendet – einer
stromaufwärts
und einer stromabwärts
des CDPF-, so dass die Temperaturdifferenz quer über den CDPF nicht mehr modelliert
werden muss.
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Die
Abgasleitung kann ferner einen Oxidationskatalysator zwischen dem
Motor und dem katalytischen Dieselpartikelfilter umfassen. Ein solcher
Oxidationskatalysator kann die Bildung von NO stromaufwärts des
CDPF steigern, was wiederum die Rußverbrennung im CDPF und somit
die Regeneration des Letzteren verbessert. Ein Oxidationskatalysator kann
auch stromabwärts
des Turboladers angeordnet sein, wodurch eine weitere Reinigung
des der Atmosphäre
zugeführten
Abgases ermöglicht
wird.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Reinigung
des Abgases eines turboaufgeladenen Dieselmotors, der einen Turbolader aufweist,
der ein elektrisch unterstütztes
Mittel umfasst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Leiten des Abgases durch einen katalytischen Dieselpartikelfilter;
- b) Teilen des Abgasstroms in zwei Teile, wobei ein erster Teil
davon von einer Position stromabwärts des katalytischen Dieselpartikelfilters
zu einer Abgasrückführungsvorrichtung
geleitet wird und ein zweiter Teil des Abgases durch einen Turbolader geleitet
wird;
- c) Bestimmen des Verunreinigungszustands des katalytischen Dieselpartikelfilters;
und
- d) abhängig
von dem bestimmten Verunreinigungszustand des katalytischen Dieselpartikelfilters,
Betreiben des Motors in einer ersten Betriebsart oder in einer zweiten
Betriebsart, bei der eine Temperatur des Abgases erhöht wird,
um die im katalytischen Dieselpartikelfilter eingefangenen Rußpartikel
zu verbrennen.
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Ein
wichtiger Aspekt des vorliegenden Verfahrens ist die Überwachung
des CDPF. In den meisten Situationen läuft der Motor gemäß dem Bedarf des
Bedieners in der ersten Betriebsart. Das potentielle Verstopfungsrisiko
beim CDPF wird dabei berücksichtigt.
Wenn erkannt wird, dass die Menge der Rußpartikel im CDPF ein vorbestimmtes
Maß erreicht
hat, läuft
der Motor in der zweiten Betriebsart. Die zweite Betriebsart bewirkt,
dass bei der Steuerung des Motors die Temperatur des durch den CDPF strömenden Abgases
erhöht
wird, was zur Verbrennung der im CDPF eingefangenen Rußpartikel
führt. Der
CDPF wird dadurch regeneriert.
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Der
Schritt zum Bestimmen des Verunreinigungszustands des katalytischen
Dieselpartikelfilters umfasst vorteilhafterweise die Schritte zur
Messung eines ersten Drucks des Abgases stromaufwärts des katalytischen
Dieselpartikelfilters mittels eines ersten Drucksensors und eines
zweiten Drucks des Abgases stromabwärts des katalytischen Dieselpartikelfilters
mittels eines zweiten Drucksensors; und Berechnung einer Abgasdruckdifferenz
quer über
den katalytischen Dieselpartikelfilter basierend auf dem gemessenen
ersten und zweiten Druck.
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Vorzugsweise
läuft der
Motor in der ersten Betriebsart, wenn die Abgasdruckdifferenz unter
einem vorbestimmten Druckschwellenwert liegt, und in der zweiten
Betriebsart, wenn die Abgasdruckdifferenz über dem vorbestimmten Druckschwellenwert liegt.
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Der
Motor kann für
einen vorbestimmten maximalen Zeitraum in der zweiten Betriebsart
laufen, wobei der Motor danach in die erste Betriebsart umgeschaltet
wird. Der vorbestimmte maximale Zeitraum wird vorzugsweise auf einen
empirischen Wert eingestellt, der auf Versuchen mit dem CDPF beruht. Solche
Versuche führen
zur Bestimmung der Maximaldauer der zweiten Betriebsart, um sicherzustellen,
dass alle Rußpartikel
im CDPF verbrannt werden, sogar unter ungünstigsten Bedingungen.
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Das
Verfahren umfasst vorzugsweise den Schritt zur Messung einer Temperatur
des Abgases stromabwärts
des katalytischen Dieselpartikelfilters. Der Motor kann dann für eine Dauer
unterhalb eines vorbestimmten maximalen Zeitraums in der zweiten Betriebsart
laufen, wobei der Motor in die erste Betriebsart umgeschaltet wird,
wenn die gemessene Temperatur einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert
erreicht, bevor der vorbestimmte maximale Zeitraum verstrichen ist.
Der Temperatursensor schützt
die ganze Anlage vor Überhitzung.
Wenn eine kritische Temperatur erreicht wird, während der Motor in der zweiten
Betriebsart läuft,
hat die Sicherheit der ganzen Anlage Priorität und wird die zweite Betriebsart
des Motors gestoppt, um so in die erste Betriebsart umzuschalten.
Zur Vermeidung von sich wiederholenden und schnellen Schwingungen
zwischen der ersten und zweiten Betriebsart kann eine Temperaturumschaltung
verwendet werden, um etwas Hysterese in das Regelungsverfahren einzubeziehen.
Die zweite Betriebsart wird also bei einem zweiten Temperaturschwellenwert
wieder gestartet, solange für
den CDPF-Regenerationsvorgang
die Dauer vorausgesehen wird (beispielsweise der vorbestimmte maximale
Zeitraum). Der zweite Temperaturschwellenwert kann beispielsweise
so gewählt werden,
dass er ungefähr
20°C niedriger
ist als der andere Temperaturschwellenwert.
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Der
Motor kann für
eine Dauer unterhalb eines vorbestimmten maximalen Zeitraums in
der zweiten Betriebsart laufen, wobei der Motor in die erste Betriebsart
umgeschaltet wird, wenn die Abgasdruckdifferenz unter den vorbestimmten
Druckschwellenwert sinkt, bevor der vorbestimmte maximale Zeitraum
verstrichen ist. Die Druckdifferenz quer über den CDPF wird überwacht,
damit die zweite Betriebsart des Motors gerade den Zeitraum über andauert,
der für
die Regeneration des CDPF notwendig ist. Sobald diese Differenz
klein genug ist, so dass man den CDPF als regeneriert betrachten
kann, wird die Motorsteuerung von der zweiten in die erste Betriebsart
umgeschaltet.
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In
der zweiten Betriebsart wird die Abgastemperatur vorzugsweise erhöht, indem
der Abgasrückführungsstrom
vergrößert wird;
und/oder indem die Ladedruckanforderung verringert wird; und/oder indem
die eingespritzte Kraftstoffmenge vergrößert wird; und/oder indem der
Einspritzzeitpunkt verzögert
wird.
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Das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
wird dadurch verringert, dass der Abgasrückführungsstrom vergrößert wird.
Durch Hinzufügen
von Abgas zur Ansaugluft wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei
vorgegebenem Ansaugluftvolumen unausgeglichen, so dass nicht genug
Frischluft vorhanden ist, um den Kraftstoff im Brennraum des Motors
vollständig
zu verbrennen. Der überschüssige Kraftstoff
wird im CDPF verbrannt, was in Letzterem zu einem Temperaturanstieg
führt,
der die im CDPF eingefangenen Rußpartikel verbrennt.
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Wird
die Ladedruckanforderung verringert, wird dadurch auch die von der
Verdichterstufe des Turboladers gebildete Ansaugluftmenge verkleinert. Wird
die gleiche Menge des eingespritzten Kraftstoffs beibehalten, ist
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis bei
einem vorgegebenen Ansaugluftvolumen fetter, was einen Anstieg der
Abgastemperatur und somit der Temperatur im CDPF bewirkt, wodurch
die im CDPF eingefangenen Rußpartikel
verbrannt werden.
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Das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis
nimmt ab, wenn die Menge des eingespritzten Kraftstoffs erhöht wird.
Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
wird durch einen Anstieg der Kraftstoffmenge unausgeglichen, wohingegen
die Menge der Ansaugluft unverändert
bleibt. Wie oben wird der überschüssige Kraftstoff
im CDPF verbraucht, was in Letzterem zu einem Temperaturanstieg
führt,
durch den die im CDPF eingefangenen Rußpartikel verbrannt werden.
Die größere Menge eingespritzten
Kraftstoffs kann zumindest teilweise spät im Einspritzzyklus zugeführt werden.
Auf diese Weise bleibt der Anteil des eingespritzten Kraftstoffs im
Abgas, der nicht mehr am Verbrennungsvorgang beteiligt ist. Diese
Einspritzstrategie kann mit geteilter Einspritzung verwendet werden,
wenn die gesamte einzuspritzende Kraftstoffmenge über mehrere Einspritzvorgänge (d.h.
Teillast) vorgesehen ist. Wie oben wird der verbleibende Kraftstoff
verbrannt, sobald er im CDPF ist, was in Letzterem einen Temperaturanstieg
bewirkt, der die im CDPF eingefangenen Rußpartikel verbrennt.
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Die
Verzögerung
des Einspritzzeitpunkts bewirkt eine späte Verbrennung. Diese Einspritzstrategie
kann dann eingesetzt werden, wenn die gesamte einzuspritzende Kraftstoffmenge
hauptsächlich durch
einen einzigen Einspritzvorgang (d.h. hohe Last) bereitgestellt
wird. Wie oben wird der verbleibende Kraftstoff im CDPF verbrannt,
was in Letzterem zu einem Temperaturanstieg führt, der die im CDPF eingefangenen
Rußpartikel
verbrennt.
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Das
Verfahren kann den weiteren Schritt zum Leiten des Abgases durch
einen Oxidationskatalysator umfassen, bevor das Abgas den katalytischen
Dieselpartikelfilter erreicht. Die Regeneration des CDPF wird dadurch
wegen der Bildung von NO im Oxidationskatalysator verbessert, was
die Verbrennung der Rußpartikel
im CDPF unterstützt. Durch
zusätzliches
Leiten des Abgases durch einen solchen Oxidationskatalysator stromabwärts des
Turboladers kann das Abgas weiter gereinigt werden, wodurch sichergestellt
wird, dass weniger Rußpartikel
in die Atmosphäre
gelangen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand der begleitenden
Zeichnung beschrieben, die eine schematische Darstellung eines turboaufgeladenen
Dieselmotors und von dessen Abgasleitung gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßer turboaufgeladener
Dieselmotor 10 dargestellt. Alle untergeordneten Bestandteile
eines Motorblocks 12, die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung
nicht relevant sind, wurden weggelassen, um die Zeichnung nicht
unübersichtlich
zu machen. Das Abgas, das den Motorblock 12 über einen
Abgasauslass 15 verlässt,
wird durch ein erstes Rohr 16 geleitet, das mit einem ersten
Drucksensor 18 zur Messung eines Drucks P1 des Abgases
versehen ist. Ein CDPF 20, der einen Einlass 21 und
einen Auslass 21' aufweist, ist
mit dem ersten Rohr 16 verbunden. Das Abgas, das den CDPF 20 verlässt, wird
durch ein zweites Rohr 22 geleitet, das mit einem zweiten
Drucksensor 24 zur Messung eines Drucks P2 und mit einem
Temperatursensor 26 zur Messung einer Temperatur T2 des
Abgases stromabwärts
des CDPF 20 versehen ist. Eine elektrische Turbinenstufe
eines Turboladers 32 ist mit dem zweiten Rohr 22 verbunden.
Das Abgas, das den Turbolader 32 verlässt, wird schließlich über einen
Systemauslass 33 zur Atmosphäre geleitet. Das zweite Rohr 22 umfasst
einen Abgaskrümmer 37,
in dem das Abgas in zwei getrennte Gasströme geteilt werden kann. Eine
Rückführungsleitung 36 ist
mit dem Abgaskrümmer 37 verbunden
und entfernt eine variable Menge rückgeführten Abgases des von einem
AGR-Ventil 40 zugeteilten Abgases. Das AGR-Ventil 40 wird
durch ein elektronisches Steuergerät 42 (ECM) gesteuert,
das die Aufgabe hat, den Betrieb des Motors 10 zu steuern.
Die variable Menge des rückgeführten Abgases
wird in einem AGR-Kühler 44 gekühlt, bevor
sie wieder in den Ansaugkrümmer 46 des
Motorblocks 12 eingespritzt wird und vorzugsweise bevor
sie durch das AGR-Ventil 40 fließt. Der
AGR-Kühler 44 ist
für den Zweck
der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich und kann ein Wasserkühler sein,
der beispielsweise im Zylinderkopf des Motorblocks 12 ausgebildet
sein kann.
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Ein
Oxidationskatalysator 48, der stromabwärts des Turboladers 32 angeordnet
ist, verbessert die Reinigung von CH und CO. Stromaufwärts des CDPF 20 kann
auch ein anderer Oxidationskatalysator 50 angeordnet sein,
um die Ruß-Regeneration
im CDPF 20 zu verbessern. Die Positionierung des CDPF 20 stromaufwärts des
AGR-Ventils 40 nutzt dem System auf zweierlei Weise. Erstens
verunreinigt der durch die Verbrennung des Dieselkraftstoffs entstandene
Ruß nicht
das AGR-Ventil 40 und/oder den AGR-Kühler 44 und/oder Einlassventile
(nicht dargestellt), wodurch die Dauerhaltbarkeit dieser Komponenten
und auch die Motorleistung verbessert werden. Darüber hinaus
fließt
eine größere Abgasmenge
durch den CDPF 20, so dass die Regenerationsgeschwindigkeit
des CDPF 20 erhöht
und die CH- und CO-Reduzierung
verbessert wird. Signale vom ersten und zweiten Drucksensor 18, 24 sowie
vom Temperatursensor 26 werden dem ECM 42 zugeführt und
dienen dazu, den Druckabfall (P2-P1) quer über den CDPF 20 und
die Temperatur (T2) des Abgases stromabwärts des CDPF zu bestimmen.
Der Druckabfall quer über
den CDPF 20 steht für
die Menge der im CDPF 20 eingefangenen Rußpartikel
und liefert die Information, ob eine eingreifende Regeneration des
CDPF 20 durchgeführt
werden muss oder nicht. Im ECM 42 ist ein vorbestimmter
Druckschwellenwert eingestellt. Dieser Schwellenwert basiert auf
der Drehzahl und der Last (bzw. den U/min des Motors und dem angeforderten
Drehmoment beim Drehmomentbedarf, der auf Steuerungsstrategien basiert), und
wenn dieser Schwellenwert überschritten
wird, startet das ECM 42 die Regeneration des CDPF 20. Bei
einer Regenerationsanforderung erzwingt das ECM 42, dass
die vom Temperatursensor 26 gemessene Abgastemperatur durch
eine oder eine Kombination der folgenden Strategien erhöht wird:
- – Verringerung
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch
Erhöhung
der variablen Menge des rückgeführten Abgases,
die vom Abgas abgeleitet wurde. Dies wird durch das ECM 42 bewirkt,
das das AGR-Ventil 40 steuert, um so die Menge des rückgeführten Abgases
des durch die Rückführungsleitung 36 fließenden Abgases
zu vergrößern. Da das Abgas
nicht so viel Sauerstoff wie das gleiche Luftvolumen enthält, wird
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
zu einem fetteren Gemisch verändert.
Unverbrannter Kraftstoff in der Abgasleitung, der aus dem dann im
Abgas vorhandenen fetteren Gemisch resultiert, wird im CDPF 20 verbrannt,
so dass die Temperatur erhöht
wird, was die Verbrennung der darin eingefangenen Rußpartikel bewirkt.
- – Verringerung
der Ladedruckanforderung des Turboladers 32. Dies wird
durch das ECM 42 bewirkt, das mindestens eine Luft zuteilende
Betätigungsvorrichtung
steuert, um so zu erreichen, dass weniger Luftvolumen in den Motor
gelangt, obwohl noch eine unveränderte
Kraftstoffmenge eingespritzt wird, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu
einem fetteren Gemisch verändert
wird. Die Luft zuteilende Betätigungsvorrichtung
kann beispielsweise eine Düse
eines Turboladers mit variabler Geometrie oder ein Ansaugkrümmer-Vakuumregelventil
(MVRV) sein.
- – Verringerung
des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch
Vergrößerung der
eingespritzten Kraftstoffmenge. Zur Vermeidung von für den Fahrer
und die Fahrgäste
unkomfortablen Drehmomentänderungen
kann die Differenz beim eingespritzten Kraftstoff spät innerhalb
des Rahmens des Einspritzzyklus eingespritzt werden, wobei ein separater
Einspritzvorgang zu einer Nacheinspritzung führt. Dies verschiebt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu
einem fetteren Gemisch.
- – Verzögerung des
Einspritzzeitpunkts auf einen späteren
Zeitpunkt innerhalb des Rahmens des Einspritzzyklus, was zu einer
späten
Verbrennung und einer höheren
Abgastemperatur führt.
Bei später
Verbrennung wird weniger freigesetzte Energie verwendet, um das
Drehmoment zu erzeugen, was demnach im CDPF einen höheren Gradienten
der Abgastemperatur bewirkt.
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Der
Temperatursensor 26 dient auch dazu, den Regelkreis im
Regenerationsverfahren zu schließen. Damit dies realisiert
werden kann, wird ein Regelungsverfahren verwendet, bei dem die
vom Temperatursensor 26 gemessene Temperatur (T2) mit einem
ersten Temperaturschwellenwert verglichen wird, der beispielsweise
auf 750°C
geeicht werden kann. Wenn die gemessene Temperatur niedriger ist, kann
der Regenerationsvorgang so lange weiter laufen, wie der Druckabfall
im CDPF höher
als ein vorgegebener Wert ist, oder so lange weiter laufen, wie der
Regenerationsvorgang nicht einen vorbestimmten maximalen Zeitraum
gedauert hat. Der vorgegebene Zeitwert wird durch Versuche bestimmt,
indem man misst, wie lange das eine hohe Temperatur aufweisende
Abgas benötigt,
um durch einen CDPF zu strömen,
bevor beispielsweise 95% der Rußpartikel verbrannt
sind oder der Druckabfall kleiner als 5% des maximal zulässigen Druckabfalls
quer über
den CDPF ist. Falls die gemessene Temperatur höher als der eichbare erste
Temperaturschwellenwert ist, wird der Regenerationsvorgang abgebrochen.
Dies wird durch die Rückkehr
zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis realisiert,
damit der Sauerstoff bei der Verbrennung im Motor verbraucht und der
Regenerationsvorgang gekühlt
wird. Das Regelungsverfahren kann ein hystereseartiges Verhalten haben,
um schnelle Änderungen
zwischen dem Regenerationszustand und dem Nicht-Generationszustand
zu verhindern. Der durch die Hysterese verursachte Versatz kann
beispielsweise 20°C
betragen, d.h., dass in diesem Fall der Regenerationsvorgang gestoppt
wird, wenn die Abgastemperatur bei 750°C liegt, und wieder gestartet
wird, wenn Letztere 730°C erreicht
hat. Der erste Temperaturschwellenwert (d.h. 750°C) des Abgases wird bestimmt,
um den Turbolader 32 vor Beschädigung zu schützen und
seine Dauerhaltbarkeit zu erhöhen.
Immer wenn der Ist-Ladedruck des Turboladers 32 unter dem
Soll-Ladedruck liegt, startet das ECM 42 eine Nacheinspritzung.
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Es
ist anzumerken, dass der obige Aufbau und die obige Steuerungsstrategie
sowohl eine höhere
Abgastemperatur als auch einen größeren Abgasstrom bewirkt. Durch
Entziehen von Energie aus dem Abgas beträgt der Temperaturabfall bei
Letzterem im Turbolader 32 ungefähr 100 K. Der CDPF 20 erreicht eine
höhere
Temperatur, indem man ihn stromaufwärts des Turboladers anordnet.
Diese Wirkung kann dazu genutzt werden, ein Kraftstoffadditiv-Steuerungssystem – sofern
vorgesehen – zu
unterdrücken, da
das Kraftstoffadditiv nur dazu verwendet wird, die Zündtemperatur
der Rußpartikel
um ungefähr
100 K zu senken, damit der CDPF 20 durch die Verbrennung
der Rußpartikel
regeniert werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
das durch das AGR-Ventil 40 abgeleitete Abgas größtenteils
frei von Rußpartikeln
ist, da das Abgas stromabwärts
des CDPF 20 entzogen wird. Im Vergleich zu üblichen
Anordnungen von Abgasleitungen, bei denen das AGR-Ventil Abgas stromaufwärts des
CDPF entzieht, führt
das stromabwärtige
Ableiten dazu, dass der CDPF 20 von größeren Mengen des Abgasstroms
durchströmt wird.
Dies verstärkt
den Sauerstoff- und Hitzeweg quer über den CDPF 20. Außer dem
höheren
Wirkungsgrad des Schadstoffbegrenzungssystems reduziert die Unterdrückung des
Kraftstoffadditiv-Steuerungssystems die Kosten und die Komplexität des Motors 10.
Das Anordnen des CDPF 20 und des Oxidationskatalysators 28 in
den heißeren
Teilen der Abgasleitung, das den oben genannten höheren Wirkungsgrad
zur Folge hat (d.h. mehr CH und CO werden umgewandelt), wirkt sich
auch günstig
auf die Kosten dieser Komponenten aus, da weniger Edelmetalle verwendet
werden können.
Die in diesen Komponenten verwendeten Edelmetalle sind der Hauptkostenfaktor
beim Herstellungspreis eines Katalysators. Die Einsparung von beispielsweise
nur 5% Edelmetall senkt den Preis des Systems beträchtlich.
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Aus
Sicht der Thermodynamik ist es weitaus interessanter, wenn die Einschränkung durch
beide CDPF 20 stromaufwärts
des Turboladers 32 verursacht ist. Bei dieser Konfiguration
ist die Thermodynamik sowohl für
das Drehmoment als auch den Kraftstoffverbrauch von Bedeutung. Da
die variable Einschränkung
stromaufwärts
des Turboladers 32 vorliegt, hat das Abgas im stromabwärtigen Durchlass
immer einen Druck nahe dem Atmosphärendruck.
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Dies
begünstigt
das Verhalten des Turboladers 32, da Letzterer weitaus
empfindlicher für
den stromabwärtigen
Druck ist.
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Der
Kombination aus dem elektrisch unterstützten Turbolader 32 und
dem CDPF 20 ermöglicht ein
besseres Übergangsverhalten
des Drehmoments des Motors 10, da die Kraftstoffeinspritzmengen
vergrößert werden
können,
ohne dass Ruß davon
betroffen ist.
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Es
versteht sich, dass der Turbolader 32 normalerweise über eine
mechanische Verbindung 53 mit einem Verdichter 52 verbunden
ist. Der Verdichter 52 führt Luft von der Atmosphäre über einen
Systemeinlass 54 zum Ansaugkrümmer 46.
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Es
versteht sich auch, dass der Turbolader, der ein elektrisch unterstütztes Mittel
umfasst, ein elektrisch unterstützter
Turbolader oder ein Turbolader sein kann, der mechanisch mit einem
elektrisch unterstützten
Verdichter verbunden ist.